DE112004001527T5

DE112004001527T5 - Verfahren und Lasersysteme zur Verbindungsbearbeitung unter Verwendung von Laserimpulsen mit speziell zugeschnittenen Leistungsprofilen

Info

Publication number: DE112004001527T5
Application number: DE112004001527T
Authority: DE
Inventors: Yunlong Beaverton Sun; Richard S. Portland Harris; Ho Wai Portland Lo; Brian W. Oregon City Baird; Jay Christopher Portland Johnson
Original assignee: Electro Scientific Industries Inc
Current assignee: Electro Scientific Industries Inc
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-07-06
Also published as: WO2005016586A3; US7126746B2; KR100804253B1; TW200509484A; TWI354417B; GB2421837B; US7348516B2; WO2005018064A2; KR101123911B1; JP2007503125A; US20050067388A1; US20080203071A1; GB2420307B; TW200511670A; CN100593292C; KR20060058114A; CN100563903C; JP4391524B2; CA2535706A1; CN1839576A

Abstract

Bearbeitungsverfahren auf Laserbasis zum Entfernen von Zielmaterial von ausgewählten elektrisch leitenden Verbindungsstrukturen eines redundanten Speichers oder einer integrierten Schaltung, wobei jede ausgewählte Verbindungsstruktur eine Verbindung mit entgegengesetzten Seitenflächen und oberen und unteren Oberflächen umfasst, wobei die gegenüberliegenden Seitenflächen um einen Abstand getrennt sind, der eine Verbindungsbreite festlegt, wobei zumindest die Seiten- und die unteren Oberflächen benachbart zu einem Passivierungsstrukturmaterial in einer Schaltung angeordnet sind, die auf einem Substrat hergestellt ist, umfassend:
Richten eines Laserausgangsimpulses zum Einfall auf eine ausgewählte Verbindungsstruktur, wobei der Laserausgangsimpuls durch einen Laserpunkt und ein zeitliches Laserimpuls-Leistungsprofil gekennzeichnet ist;
wobei der Laserpunkt eine Punktgröße in einer Laserpunktposition auf der ausgewählten Verbindungsstruktur aufweist, wobei die Punktgröße größer ist als die Verbindungsbreite; und
das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil steigende und fallende Flanken, eine mittlere Leistung und eine Impulsdauer aufweist und durch eine Leistungsspitze gekennzeichnet ist, wobei die Leistungsspitze eine Spitzendauer, die wesentlich kürzer ist als die Impulsdauer, eine...

Description

Verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/496 631, eingereicht am 19. August 2003.
Urheberrechtsanmerkung
© 2004 Electro Scientific Industries, Inc. Ein Teil der Offenbarung dieses Patentdokuments enthält Material, das dem Urheberrechtsschutz unterliegt. Der Urheberrechtsinhaber hat keinen Einwand gegen die Faksimilereproduktion des Patentdokuments oder der Patentoffenbarung durch irgend jemanden, wie es/sie in der Patentakte oder in den Patentregistern des Patent- und Markenamis erscheint, behält sich jedoch ansonsten absolut alle Urheberrechte vor. 37 CFR § 1.71 (d).
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Laserbearbeitung von leitenden Verbindungen an Speicherchips oder anderen integrierten Schaltungs- (IC) Chips und insbesondere Laserverfahren und -systeme, die Laserimpulse mit speziell zugeschnittenen Leistungsprofilen für eine bessere Bearbeitungsqualität und -ausbeute verwenden.

Hintergrund der Erfindung

Verringerte Ausbeuten in IC-Bauelement-Fertigungsprozessen ergeben sich häufig durch Defekte, die durch die Fehlausrichtung von Schichten oder Strukturen unter der Oberfläche oder durch Teilchenverunreinigungen verursacht werden. 1, 2A und 2B zeigen wiederholte elektronische Schaltungen 10 eines IC-Bauelements oder Werkstücks 12, die üblicherweise in Zeilen oder Spalten hergestellt werden, so dass sie mehrere Iterationen von redundanten Schaltungselementen 14, wie z.B. Ersatzzeilen 16 und Ersatzspalten 18 von Speicherzellen 20, umfassen. Mit Bezug auf 1, 2A und 2B sind die Schaltungen 10 so ausgelegt, dass sie zwischen den elektrischen Kontakten 24 lasertrennbare leitende Verbindungen 22 umfassen, die entfernt werden können, um beispielsweise eine fehlerhafte Speicherzelle 20 abzutrennen und eine redundante Austauschzelle 26 in einem Speicherbauelement wie z.B. einem DRAM, einem SRAM oder einem eingebetteten Speicher zu ersetzen. Ähnliche Verfahren werden auch verwendet, um Verbindungen 22 zu trennen, um CCD-Abbildungsbauelemente zu reparieren oder um ein Logikprodukt, Gatematrizes oder ASICs zu programmieren.

Verbindungen 22 in der Verbindungsstruktur 36 sind etwa 0,3 Mikrometer (μm) – 2 μm dick und sind mit herkömmlichen Verbindungsbreiten 28 von etwa 0,4 μm–2,5 μm, Verbindungslängen 30 zwischen benachbarten elektrischen Kontakten 24 und Abständen von Element zu Element (Abständen von Zentrum zu Zentrum) 32 von etwa 2 μm–8 μm von benachbarten Schaltungsstrukturen oder -elementen 34 entworfen. Obwohl die am häufigsten verwendeten Verbindungsmaterialien Polysilizium, Polyzid und ähnliche Zusammensetzungen waren, haben Speicherhersteller in jüngerer Zeit eine Vielfalt von elektrisch besser leitenden Metallverbindungsmaterialien übernommen, die umfassen können, jedoch nicht begrenzt sind auf Aluminium, Chromid, Kupfer, Gold, Nickel, Nickelchromid, Titan, Wolfram, Platin sowie andere Metalle, Metalllegierungen, Metallnitride wie z.B. Titan- oder Tantalnitrid, Metallsilizide wie z.B. Disilizid, Wolframsilizid oder andere metallartige Materialien.

Elektronische Schaltungen 10, Schaltungselemente 14 oder Speicherzellen 20 werden auf Defekte getestet, deren Stellen in eine Datenbank oder ein Programm abgebildet werden können. Herkömmliche Infrarot- (IR) Laserwellenlängen von 1,047 μm oder 1,064 μm wurden für mehr als 20 Jahre verwendet, um leitende Verbindungen 22 explosiv zu entfernen. Herkömmliche Speicher-Verbindungsbearbeitungssysteme fokussieren einen einzelnen Laserausgangsimpuls 37 mit einer Impulsbreite von etwa 4 Nanosekunden (ns) bis 30 ns auf eine ausgewählte Verbindung 22. 2A und 2B zeigen einen Laserpunkt 38 mit einer Punktgröße (Fläche oder Durchmesser) 40, der auf eine Verbindungsstruktur 36 auftrifft, die aus einer Polysilizium- oder Metallverbindung 22 besteht, die über einem Siliziumsubstrat 42 und zwischen Komponentenschichten eines Passivierungsschichtstapels mit einer darüberliegenden Passivierungsschicht 44 (in 2A gezeigt), welche typischerweise 500 Å–10000 Å (D) dick ist, und einer darunterliegenden Passivierungsschicht 46 angeordnet ist. 2C zeigt zwei benachbarte Verbindungen 22, die durch eine Zwischenpassivierungsschicht 48 getrennt sind. Jede der Verbindungen 22 weist entgegengesetzte Seitenflächen 52 auf, die um einen Abstand getrennt sind, der eine normale Verbindungsbreite 28 definiert, die der Laserpunkt 38 umschließt, um die Verbindung 22 zu durchtrennen. Das Siliziumsubstrat 42 absorbiert eine relativ kleine proportionale Menge der IR-Laserstrahlung und herkömmliche Passivierungsschichten 44, 46 und 48 wie z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid sind für die IR-Laserstrahlung relativ durchlässig. Die Verbindungen 22 werden typischerweise "im Fluge" bearbeitet, so dass das Strahlpositionierungssystem die Bewegung nicht stoppen muss, wenn ein Laserimpuls auf eine ausgewählte Verbindung 22 geschossen wird, wobei jede ausgewählte Verbindung 22 durch einen einzelnen Laserimpuls bearbeitet wird. Der Prozess im Fluge erleichtert einen sehr hohen Verbindungsbearbeitungsdurchsatz, wie z.B. die Bearbeitung von mehreren Zehntausenden von Verbindungen 22 pro Sekunde.

2D ist eine bruchstückhafte Querschnittsseitenansicht der Verbindungsstruktur von 2B nach der Entfernung der Verbindung 22 durch den Laserimpuls des Standes der Technik. Um eine Beschädigung an dem Substrat 42 zu vermeiden, während eine ausreichende Laserenergie aufrechterhalten wird, um eine Metall- oder Nicht-Metall-Verbindung 22 zu bearbeiten, beschreiben Sun et al. im US-Patent Nrn. 5 265 114 und 5 473 624 die Verwendung eines einzelnen Laserimpulses mit 9 ns bis 25 ns mit einer längeren Laserwellenlänge wie z.B. 1,3 μm, um Speicherverbindungen 22 auf Siliziumwafern zu bearbeiten. Bei der Wellenlänge von 1,3 μm ist der Laserenergie-Absorptionskontrast zwischen dem Verbindungsmaterial 22 und dem Siliziumsubstrat 42 viel größer als jener bei den herkömmlichen Laserwellenlängen von 1 μm. Das viel breitere Laserbearbeitungsfenster und die bessere Bearbeitungsqualität, die von diesem Verfahren geschaffen werden, wurden in der Industrie für etwa fünf Jahre mit großem Erfolg verwendet.

Immer weiter schrumpfende Verbindungsabmessungen und Abstandsgrößen von Verbindung zu Verbindung fordern jedoch eine kleinere Laserstrahlpunktgröße. Eine kürzere Laserwellenlänge ist somit zum Liefern einer kleineren Laserstrahlpunktgröße bevorzugt. Eine kürzere Laserwellenlänge als 1 μm und 1,3 μm liefert auch eine bessere Einkopplung der Laserenergie in das Verbindungszielmaterial, um den Prozess zu erleichtern.

Das US-Patent Nr. 6 057 180 von Sun et al. beschreibt ein Verfahren zur Verwendung einer Ultraviolett- (UV) Laserausgabe zum Trennen von Verbindungen mit dem Vorteil einer kleineren Strahlpunktgröße. Die Entfernung der Verbindung selbst durch einen solchen UV-Laserimpuls zieht jedoch eine sorgfältige Betrachtung der darunterliegenden Passivierungsstruktur und des Materials nach sich, um die darunterliegende Passivierung und den Siliziumwafer vor einer Beschädigung durch den UV-Laserimpuls zu schützen.

Das US-Patent Nr. 6 025 256 von Swenson et al. beschreibt Verfahren zur Verwendung einer Ultraviolett- (UV) Laserausgabe, um eine Ätzschutzschicht wie z.B. einen Resist oder Photoresist, der über eine Verbindung aufgetragen ist, die auch ein darüberliegendes Passivierungsmaterial aufweisen kann, freizulegen oder abzutragen, um die Verbindungsentfernung (und Entfernung des darüberliegenden Passivierungsmaterials) durch verschiedene Materialentfernungsmechanismen wie z.B. durch chemisches Ätzen zu ermöglichen. Dieser Prozess ermöglicht die Verwendung einer noch kleineren Strahlpunktgröße. Freilegungs- und Ätzentfernungsverfahren verwenden jedoch zusätzliche Beschichtung-, Entwicklungs- und/oder Ätzschritte, die typischerweise das Zurücksenden des Wafers zum Vorderende des Herstellungsprozesses für einen oder mehrere zusätzliche Schritte zur Folge haben.

3A ist die typische zeitliche Form eines herkömmlichen Laserimpulses mit Wellenlängen von 1 μm und 1,3 μm, die bei der Verbindungsbearbeitung verwendet werden. Um die Laserenergie effektiver zu nutzen, schlagen Smart et al. im US-Patent Nrn. 6 281 471 und 6 340 806 die Verwendung von Laserimpulsen mit der in 3B gezeigten zeitlichen Form mit im Wesentlichen quadratischen zeitlichen Leistungsdichteverteilungen vor, um die Verbindungen zu bearbeiten. Gemäß Smart et al. muss die Anstiegszeit des Laserimpulses kürzer sein als 1 ns, die Ebenheit der Rechteckwellenoberseite muss besser als 10% sein und die Abfallzeit muss ausreichend kurz sein. Der angegebene Vorteil der Verwendung von Laserimpulsen mit der in 3B gezeigten zeitlichen Form bestand darin, dass die scharfe Anstiegszeit des Laserimpulses einen Wärmeschock für die darüberliegende Schicht von Oxiden liefern würde und dadurch den Verbindungsdurchbrennprozess erleichtern würde. Außerdem würde das Reflexionsvermögen der Laserenergie durch die Verbindung bei der höheren Leistungsdichte mit dem schnell ansteigenden Impuls mit kurzer Dauer verringert werden. Wenn jedoch der schnellere Durchbruch der darüberliegenden Passivierungsschicht mit der Hilfe einer Wärmeschockwelle, die durch die scharfe Anstiegszeit des Laserimpulses zur Schicht geliefert wird, den Prozess wahrhaft erleichtert, wäre die Bearbeitung von Verbindungsstrukturen ohne darüberliegende Passivierungsschicht keine technische Herausforderung gewesen. Die Industriepraxis hat sich anders erwiesen.

Aufgrund von unvermeidlichen Schwankungen der Verbindungsstruktur, wie beispielsweise der Dicke der darüberliegenden Passivierungsschicht; der Dicke, Breite und der Seitenwandsteigung der Verbindung selbst; und der Dicke der darunterliegenden Passivierungsschicht, besteht ein Bedarf für eine gewisse Reserve in der Laserimpulsenergie, die zum Bearbeiten der Verbindungen verwendet wird. Typischerweise wird das Verbindungsmaterial vollständig entfernt, gut bevor der Laserimpuls endet. Vorzugsweise wird für den typischen verwendeten Laserimpuls das Verbindungsmaterial bis zur Zeit t₁, wie in 3A gezeigt, vollständig entfernt. Ebenso stellt die Zeit t₁ in 3B die Zeit dar, wenn das typische Verbindungsmaterial vollständig entfernt ist. Fachleute werden realisieren, dass die Laserimpulsenergie nach der Zeit t₁ für beide Fälle ein großes Risiko auferlegt, dass das Siliziumsubstrat beschädigt wird, da kein Verbindungsmaterial verbleiben würde, um das Substrat vor dem Aussetzen der Laserenergie abzuschirmen. Die Laserimpulsenergie nach der Zeit t₁ erlegt ein großes Risiko für die Beschädigung auch der zur Verbindung benachbarten Struktur auf. Leider besteht für den herkömmlichen Laserimpuls keine Steuerung über die zeitliche Form des Laserimpulses nach der Zeit t₁. Für den im Wesentlichen quadratischen zeitlichen Laserimpuls ist es insofern schlimmer, als direkt nach der Zeit t₁ der Laserimpuls für eine Weile auf seiner Spitzenintensität bleibt, was ein noch größeres Risiko für eine Beschädigung am Substrat oder an der benachbarten Struktur verursacht.

Was daher erforderlich ist, ist eine bessere Weise zum Steuern des zeitlichen Leistungsprofils des Laserimpulses, um eine bessere Verbindungsbearbeitungsqualität und -ausbeute zu erleichtern.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Bearbeitungsqualität der Entfernung einer IC-Verbindung und eines darüberliegenden Passivierungsstrukturmaterials, die auf einem Substrat hergestellt sind, bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Bearbeiten einer Verbindung mit einem speziell zugeschnittenen zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofil, um eine verbesserte Bearbeitungsqualität und ein breiteres Prozessfenster zu erreichen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Verwendung einer kleineren Laserstrahlpunktgröße für Verbindungsentfernungsverfahren mit einer kürzeren Laserwellenlänge ohne merkliche Beschädigung am Substrat und am Seiten- und darunterliegenden Passivierungsstrukturmaterial, das die entfernte Verbindung umgibt.

Die vorliegende Erfindung verwendet einen Laserimpuls mit einem speziell zugeschnittenen zeitlichen Leistungsprofil, um eine IC-Verbindung zu trennen, anstatt einen Laserimpuls mit herkömmlicher zeitlicher Form oder im Wesentlichen quadratischer Form zu verwenden. Der speziell zugeschnittene Laserimpuls weist vorzugsweise entweder eine Überschwingung am Beginn des Laserimpulses oder eine "Nadelspitze" innerhalb der Dauer des Laserimpulses auf. Die Leistungsamplitude der Überschwingung oder der Nadelspitze während des Impulses liegt mehr als etwa 10%, vorzugsweise 10% bis 50%, über der mittleren Leistungsamplitude des Laserimpulses. Die zeitliche Breite der Überschwingung oder der Nadelspitze liegt zwischen etwa 1 ns und etwa 50 der Dauer des Laserimpulses und vorzugsweise zwischen etwa 10% und etwa 50 der Dauer des Laserimpulses. Die Zeitsteuerung der Spitze wird vorzugsweise vor der Zeit festgelegt, zu der die Verbindung vollständig entfernt ist, während alle realistischen Schwankungen der Verbindungsstruktur und der Laserparameter während der Herstellung berücksichtigt werden. Andere Verfahren zum Modulieren des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils, wie z.B. mehrere Vorderflanken-Überschwingungen, mehrere Nadelspitzen oder eine schwingende Spitzenleistungsamplitude, können auf der Basis von verschiedenen Verbindungsstrukturen verwendet werden. Die Dauer des Laserimpulses liegt vorzugsweise zwischen etwa 1 ns und etwa 40 ns. Die fallende Flanke des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils ist typischerweise kürzer als etwa 10 ns. Die Energie des Laserimpulses liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,001 Mikrojoule (μJ) und etwa 10 μJ.

Das speziell zugeschnittene Laserimpuls-Leistungsprofil ermöglicht die Verwendung eines breiteren Laserimpulsenergiebereichs und von kürzeren Laserwellenlängen wie z.B. grün und UV, um eine Öffnung in der darüberliegenden Passivierungsschicht zu erzeugen und die Verbindungen zu durchtrennen. Die Öffnung ist ausreichend breit, um das Durchtrennen der Verbindung durchzuführen, jedoch ausreichend schmal, um irgendwelche benachbarten Strukturen nicht merklich zu beschädigen. Das Verfahren beschädigt das Substrat und das Passivierungsstrukturmaterial, das sich auf beiden Seiten der Verbindung befindet und unter dieser liegt, ebenso nicht merklich.

In einem Ausführungsbeispiel können zwei zeitlich verschobene Laserimpulse, die sich von zwei Lasern ausbreiten, mit einer programmierbaren Verzögerungszeit zwischen den zwei Laserimpulsen kombiniert werden. Ein erster Laserimpuls, der sich von einem ersten Laser ausbreitet, weist vorzugsweise eine schmälere Impulsbreite auf als jene eines zweiten Laserimpulses, der sich von einem zweiten Laser ausbreitet. Verschiedene Verzögerungszeiten stellen für jeden kombinierten Laserimpuls eine Überschwingung oder eine Spitze her, die an einem anderen Teil des kombinierten zeitlichen Profils auftritt.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Zusatzresonator-Torsteuervorrichtung wie z.B. eine elektrooptische Pockels-Zellen- (E-O) Vorrichtung und ein Polarisator verwendet, um den von einer Laserquelle emittierten Laserimpuls zu formen. Die E-O-Vorrichtung, die durch die an diese angelegte Ansteuerspannung gesteuert wird, kann einen Teil des Laserimpulses aus einem anderen Teil des Laserimpulses mit einer gewünschten Impulsbreite, gewünschten Anstiegs- und Abfallzeiten und einer zugeschnittenen Form "ausblenden".

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Laserausgangsimpuls, der von einem Diodenlaser emittiert wird, in einen Leistungsverstärker eingeleitet. Das zeitliche Leistungsprofil des vom Diodenlaser emittierten Laserimpulses wird durch Steuern seines Treibers speziell zugeschnitten. Der Leistungsverstärker arbeitet in einem ungesättigten Zustand, um einen verstärkten Laserausgangsimpuls zu liefern, der im Wesentlichen das speziell zugeschnittene zeitliche Leistungsprofil des eingeleiteten Laserimpulses kopiert, und um eine angemessene Laserenergie innerhalb des Impulses für die Verbindungsverarbeitungsanwendungen zu liefern. Fachleute werden erkennen, dass sie leicht das Zuschneiden des zeitlichen Stromprofils des Ansteuerimpulses vom Diodenlasertreiber durchführen könnten, um den vom Diodenlaser emittierten Laserimpuls zu erzeugen, welcher durch das speziell zugeschnittene Leistungsprofil gekennzeichnet ist, das für die Verbindungsbearbeitungsanwendung bevorzugt ist.

Zusätzliche Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen ersichtlich, welche mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen vor sich geht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm eines Teils eines DRAM des Standes der Technik, das die redundante Anordnung von und programmierbare Verbindungen in einer Ersatzzeile von allgemeinen Schaltungszellen zeigt.
2A ist eine bruchstückhafte Querschnittsseitenansicht einer herkömmlichen großen Halbleiterverbindungsstruktur, die einen Laserimpuls empfängt, der durch Impulsparameter des Standes der Technik gekennzeichnet ist.
2B ist eine bruchstückhafte Draufsicht auf die Verbindungsstruktur und den Laserimpuls von 2A zusammen mit einer benachbarten Schaltungsstruktur.
2C ist eine bruchstückhafte Querschnittsstirnansicht der Verbindungsstruktur von 2B, die die Breitenabmessungen von zwei benachbarten Verbindungen und den diesen zugeordneten Passivierungsschichtstapel zeigt.
2D ist eine bruchstückhafte Querschnittsseitenansicht der Verbindungsstruktur von 2B nach der Verbindungsentfernung durch Aufbringen des Laserimpulses des Standes der Technik.
3A, 3B, 3C bzw. 3D zeigen herkömmliche, im Wesentlichen quadratförmige, speziell zugeschnittene zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofile mit Überschwingen der ansteigenden Flanke und speziell zugeschnittene zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofile mit Nadelspitze.
3E ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht der Verbindungsstruktur von 2C nach der Verbindungsentfernung durch Aufbringen eines Laserimpulses mit einem Impulsleistungsprofil, das gemäß der vorliegenden Erfindung speziell zugeschnitten ist.
4A zeigt ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem Laserimpulse, die von einem ersten und einem zweiten unterschiedlichen Laser kombiniert werden, einen Laserimpuls mit einem speziell zugeschnittenen zeitlichen Leistungsprofil erzeugen.
4B, 4C und 4D zeigen für das Ausführungsbeispiel von 4A zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofile des ersten Lasers, des zweiten Lasers bzw. einer Kombination des ersten und des zweiten Lasers, die zur Verbindungsbearbeitung ausgelegt sind.
5A zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem einem gepulsten Laser eine E-O-Torsteuervorrichtung folgt.
5B zeigt das zeitliche Laserleistungsprofil des von der Laserschiene emittierten Laserimpulses und 5C und 5D zeigen verschiedene zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofile, die an der E-O-Torsteuervorrichtung erzeugt werden, die für verschiedene Torsteuerverzögerungszeiten ausgegeben werden.
6A zeigt ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Injektionslasers, gefolgt von einem Verstärker, der in einem ungesättigten Zustand arbeitet, so dass er ohne Verzerrung den Injektionslaserimpuls auf einen Energiepegel verstärkt, der für die Verbindungsbearbeitung erforderlich ist.
6B, 6C und 6D zeigen für eine Implementierung des Ausführungsbeispiels von 6A die Injektionslaser-Ansteuerstromwellenform, das resultierende Injektionslaserimpuls-Leistungsprofil bzw. ein verstärktes Laserimpuls-Leistungsprofil, das jenes des Injektionslaserimpulses kopiert.
6E und 6F zeigen für eine weitere Implementierung des Ausführungsbeispiels von 6A die Injektionslaser-Ansteuerstromwellenform bzw. das resultierende Injektionslaserimpuls-Leistungsprofil.
7 ist ein teilweise schematisches, vereinfachtes Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines beispielhaften Systems, das mit einem diodengepumpten, gütegeschalteten Nd:YAG-Laser implementiert wird, dem eine E-O-Torsteuervorrichtung und eine Werkstück-Positionierungseinrichtung folgt, die mit einem Laserbearbeitungs-Steuersystem zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zusammenwirken.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
3A und 3B zeigen das herkömmliche Laserimpuls-Leistungsprofil bzw. ein im Wesentlichen quadratisches Laserimpulsprofil, das im Stand der Technik verwendet wird. 3C zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein speziell zugeschnittenes Laserimpuls-Leistungsprofil 60c mit einer signifikanten Überschwingung oder "Spitze" 62 verwendet, die am Beginn des Laserimpulses auftritt. Die Spitzenleistung der Überschwingung ist Pmax und die mittlere Leistung des Laserimpulses ist Pmin. Die Amplitude der Überschwingung ist als Pmax – Pmin definiert. Die Breite der Überschwingung oder "Spitze" Δts ist als Zeit mit voller Dauer am mittleren Leistungspunkt Ps zwischen Pmax und Pmin definiert. Die Spitzenleistung der Überschwingung oder der "Spitze" Pmax liegt vorzugsweise etwa 10% bis etwa 50% über der mittleren Leistung des Laserimpulses, Pmin. Die Breite der Überschwingung oder "Spitze" Δts ist vorzugsweise 10% bis 50% der Dauer des Laserimpulses. Die Anstiegszeit der Spitze ist typischerweise kürzer als etwa 5 ns und vorzugsweise kürzer als etwa 2 ns. 3D zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das ein Leistungsprofil 60d mit einer Überschwingung oder "Spitze" 64 verwendet, die nicht am Beginn, sondern während des Laserimpulses erscheint. Die Überschwingung oder "Spitze" endet zum Zeitpunkt t_e, der vor dem Zeitpunkt t₁ liegt, zu dem das Verbindungsmaterial vollständig durch die Laserenergie entfernt wird. Für Zwecke der Bequemlichkeit wird der Begriff "Spitze" im ganzen Rest der Anmeldung verwendet, um eine signifikante, vorübergehende Zunahme der Laserleistung ungeachtet dessen, wann sie während des Laserimpulses auftritt, anzugeben.
3E zeigt die Bedingungen der Passivierungsschichten, nachdem die Verbindung 22 durch einen Laser mit einem Laserimpuls-Leistungsprofil 60c oder 60d entfernt wurde. Die Passivierungsschicht 44, die über einer oberen Oberfläche 70 der Verbindung 22 liegt, weist eine Öffnung 72 auf, die sich über die Breite 28 der Verbindung 22 um ein relativ kleines Ausmaß, z.B. etwa die Dicke der darüberliegenden Passivierungsschicht 44, hinaus erstreckt. Material der Zwischenpassivierungsschicht 48, das benachbart zu den Seitenflächen 52 der Verbindung 22 angeordnet ist, die Passivierungsschicht 46, die unter einer unteren Oberfläche 74 der Verbindung 22 liegt, und das Substrat 42 werden nicht merklich beschädigt. 3E zeigt eine unregelmäßig gekrümmte Linie 76, die durch Teile der Passivierungsschichten 44, 46 und 48 verläuft, die den offenen Bereich umgeben, der vorher von der entfernten Verbindung 22 belegt war. Die gekrümmte Linie 76 stellt eine typische Beschädigung an der Passivierungsstruktur dar, insbesondere eine Beschädigung, die sich um ein gewisses Ausmaß, z.B. etwa 0,5 Mikrometer, von dem Bereich, der vorher von der Verbindung belegt war oder unter einem Mikroskop ziemlich sichtbar wird, erstreckt. Die typische Beschädigung umfasst auch Risse in der Passivierungsstruktur, die in den Zeichnungsfiguren nicht gezeigt sind.
4–6 zeigen verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele, die ein Laserimpuls-Leistungsprofilzuschneiden implementieren, und ihre zugehörigen speziell zugeschnittenen Laserimpuls-Leistungsprofile, die verwendet werden, um Verbindungen 22 gemäß der vorliegenden Erfindung zu trennen. In Abhängigkeit von der Wellenlänge des Laserausgangs und den Eigenschaften des Verbindungsmaterials versieht das Zuschneiden des Leistungsprofils eines Laserimpulses ihn mit ausreichend Spitzenleistung und Energie des Impulses und einer zweckmäßigen Dauer, um die Verbindung zu trennen. Nach der Beendung der Verbindungsmaterialentfernung werden das Leistungsprofil und die restliche Dauer des Laserimpulses zugeschnitten, um kein Risiko einer Beschädigung am Substrat und an der benachbarten Struktur der Verbindung, die dem Prozess unterzogen wird, aufzuerlegen, selbst wenn die verwendete Laserwellenlänge kürzer ist als 1,3 μm, im sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich liegt.
Vorzugsweise durchtrennt jeder Laserimpuls 37 eine einzelne Verbindung 22. (Wenn nicht anders angegeben, betreffen die Bezugnahmen auf den Laserimpuls 37 und die fokussierte Punktgröße 40 (beide in 2A gezeigt) in Verbindung mit den Beschreibungen von bevorzugten Ausführungsbeispielen die Emission von Laserimpulsen und nicht diesen zugeordnete Leistungsprofile des Standes der Technik). Bei einer bevorzugten Wellenlänge von etwa 250 nm bis etwa 2000 nm umfassen bevorzugte Abschmelzparameter der fokussierten Punktgröße 40 der Laserimpulse 37 Laserenergien von jedem Laserimpuls zwischen etwa 0,005 μJ und etwa 10 μJ, die Dauer jedes Laserimpulses 37 ist vorzugsweise kürzer als etwa 40 ns und länger als etwa 1 ns, die Laserimpuls-Wiederholungsrate ist größer als 1 Hz, bevorzugter innerhalb 10 kHz und 60 kHz oder höher und kann eine Funktion der Geschwindigkeit des Positionierungssystems 380 (7) und des Abstandes zwischen zu bearbeitenden benachbarten Verbindungen 22 sein. Der fokussierte Laserpunktdurchmesser liegt innerhalb des Bereichs zwischen etwa 0,5 μm und etwa 3 μm und ist vorzugsweise etwa 40% bis etwa 100 größer als die Breite der Verbindung 22 in Abhängigkeit von der Verbindungsbreite 28, der Verbindungsabstandsgröße 32, dem Verbindungsmaterial und anderen Verbindungsstruktur- und Prozesserwägungen.
Mit Bezug auf 3C und 3D können die Laserimpuls-Leistungsprofile 60c bzw. 60d speziell zugeschnitten werden, so dass sie eine signifikante Vorderflankenüberschwingung 62 (3C) am Beginn des Laserimpulses aufweisen oder eine oder zwei Mittelimpulsspitzen 64 (eine Spitze in 3D gezeigt) irgendwann innerhalb der Dauer des Laserimpulses aufweisen, bevor das Verbindungsmaterial vollständig entfernt ist. Die bevorzugte Zeitsteuerung der Leistungsspitze liegt innerhalb eines Intervalls, gemessen von der steigenden Flanke des Laserimpuls-Leistungsprofils bis 70% der Dauer des Laserimpuls-Leistungsprofils. 3D zeigt das Laserimpuls-Leistungsprofil 60d, in dem der Leistungspegel vor und nach der Impulsspitze 64 relativ flach ist. Das Laserimpuls-Leistungsprofil kann einen sich ändernden Leistungspegel vor und nach der Impulsspitze 64 aufweisen. Das Zuschneiden des Laserimpuls-Leistungsprofils in dieser Weise liefert von der Vorderflankenüberschwingung oder den Mittelimpulsspitzen ausreichend Laserspitzenleistung und -energie, um die zufriedenstellende Entfernung des Verbindungsmaterials zu erleichtern, und bei der Entfernung des meisten des Verbindungsmaterials eine viel niedrigere Laserimpulsleistung, um das restliche Verbindungsmaterial zu entfernen und ein verringertes Risiko für Beschädigung am Siliziumsubstrat und an der Struktur, die zur Verbindung benachbart ist, sicherzustellen. Folglich liefert ein solches spezielles Zuschneiden des Laserleistungsprofils viel bessere Bearbeitungsergebnisse und ein breiteres Prozessfenster und verringert das Risiko für eine Beschädigung am Siliziumsubstrat und an der Struktur, die zur Verbindung benachbart ist.
Mit Bezug auf 4A wird in einem ersten Ausführungsbeispiel das spezielle Zuschneiden des Laserimpuls-Leistungsprofils durch Kombinieren von zwei Laserimpulsen von zwei separaten Laserschienen 110 und 112 durchgeführt. Die Laserschiene 110 erzeugt einen kürzeren Laserimpuls 114, der in 4B gezeigt ist, und die Laserschiene 112 erzeugt einen längeren Laserimpuls 118, der in 4C gezeigt ist. Die Synchronisation der oder die Verzögerungszeit (t_d) zwischen den Laserimpulsen 114 und 118 wird durch eine Synchronisationselektronik 120 gesteuert. Die Laserimpulse 114 und 118 werden durch einen Strahlkombinator 130 kombiniert, nachdem der Laserimpuls 118 an einem Spiegel 131 reflektiert und sich durch eine Wellenplatte 132 für Polarisationssteuerzwecke ausbreitet. 4D zeigt einen kombinierten Laserimpuls 134, der ein Endleistungsprofil mit einer signifikanten Leistungsspitze 136, die zur Verbindungsbearbeitung bevorzugt ist, aufweist. Die gesamte Laserimpulsbreite des kombinierten Laserimpulses 134 kann entweder die Summe der Breiten der Laserimpulse 114 und 118 oder die Breite des Laserimpulses 118 in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit zwischen den Laserimpulsen 114 und 118 sein. Die Breiten der Laserimpulse 114 und 118 können für die Verbindungsbearbeitung auf der Basis der Verbindungsstruktur optimiert werden. Der kombinierte Laserimpuls 134 kann derart konfiguriert sein, dass eine zusätzliche Leistungsspitze beispielsweise bei t_a nach der Leistungsspitze 136 auftritt. Die zusätzliche Leistungsspitze hätte vorzugsweise einen Leistungswert, der mehr als 5% der mittleren Leistung des kombinierten Laserimpulses 134 ist.
Die Zeitsteuerung der Spitze 136 zum Zeitpunkt t_p kann auch leicht durch die Synchronisationselektronik 120 für die beste Verbindungsbearbeitungsqualität und -ausbeute programmgesteuert werden. Fachleute werden erkennen, dass, da sie sich von verschiedenen Laserschienen ausbreiten und vor der Kombination durch den Strahlkombinator 130 entlang verschiedener Strahlwege laufen, die Laserimpulse 114 und 118 so manipuliert werden können, dass sie verschiedene Strahlpunktgrößen aufweisen, um die Verbindungsbearbeitung weiter zu erleichtern.
Nachdem der Strahlkombinator 130 die Laserimpulse 114 und 118 kombiniert, sind ihre Polarisationszustände typischerweise von ihren ursprünglichen Polarisationszuständen verschieden. Die Energie des Laserimpulses 114 kann beispielsweise vertikal polarisiert sein, während die Energie des Laserimpulses 118 horizontal polarisiert sein kann. Mit den kombinierten Laserenergie-Polarisationszuständen kann die Orientierung der Zielverbindung oder des Wafers, der an einem Systemarbeitstisch montiert ist, folglich für die beste Bearbeitungsqualität und -ausbeute geändert werden. Eine wahlweise Wellenplatte 140 kann entlang des Ausbreitungsweges des kombinierten Laserimpulses 134 eingefügt werden, so dass die ganze Laserenergie zirkular polarisiert ist, wenn eine solche Konfiguration eine bessere Bearbeitungsqualität und -ausbeute für eine spezielle Verbindungsstruktur liefert.
Mit Bezug auf 5A formt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine E-O-Torsteuervorrichtung 150 das Leistungsprofil der Laserimpulse, die sich von einem diodengepumpten, gütegeschalteten Festkörperlaser 152 ausbreiten. Der Laser 152 liefert mehrere Laserimpulse 160 (einer in 5B gezeigt) jeweils mit einer relativ langen Laserimpulsbreite bei voller Breite, halbem Maximum (FWHM). Die FWHM-Impulsbreite kann beispielsweise etwa 30 ns bis 50 ns sein.
Die Laserimpulse 160 breiten sich durch die E-O-Torsteuervorrichtung 150 aus. Das Ausgangslaserimpuls-Leistungsprofil hängt von der Breite und Form eines Ansteuerspannungsimpulses 162, der von der Ansteuerelektronik 164 geliefert wird, und von der Verzögerungszeit zwischen dem Laserimpuls 160 und dem Ansteuerspannungsimpuls 162, der an die E-O-Vorrichtung 150 angelegt wird, ab. Der Ausgangslaserimpuls kann ein aufwärts, im Wesentlichen linear geneigtes (zunehmendes) Leistungsprofil, wie für den Laserimpuls 166c in 5C gezeigt, oder ein abwärts, im Wesentlichen linear geneigtes (abnehmendes) Leistungsprofil mit einer höheren Spitze am absoluten Anfang des Laserimpulses, wie für den Laserimpuls 166d in 5D gezeigt, aufweisen. Der gesamte Leistungsabfall nach der Spitze ist mehr als etwa 10% der mittleren Leistung des Laserausgangsimpulses. Fachleute werden erkennen, dass die Breite und Form des Spannungsimpulses selbst, der an die E-O-Vorrichtung 150 angelegt wird, so zugeschnitten werden kann, dass eine größere Flexibilität im Zuschneiden der Breite und des Leistungsprofils des Laserimpulses 166 bereitgestellt wird.
Mit Bezug auf 6A besteht in einem dritten Ausführungsbeispiel ein Laser 200 aus einem Injektionslaser 202, gefolgt von einem Verstärker 204. Der Injektionslaser 202 kann ein Diodenlaser mit einer schnellen Ansprechzeit sein, der eine Laserausgabe mit einer Laserwellenlänge liefert, die dem Verstärkungsspektrum des Verstärkers 204 entspricht. 6B zeigt einen speziell zugeschnittenen Ansteuerstromimpuls 206, der von der Ansteuerelektronik 208 geliefert wird, und 6C zeigt, dass ein Injektionslaser-Ausgangimpuls 210, der sich vom Injektionslaser 202 ausbreitet, das Profil des Ansteuerstromimpulses 206 infolge der schnellen Ansprechfähigkeit des Injektionslasers 202 kopiert. Der Injektionslaser-Ausgangsimpuls 210 wird zum Laserleistungsverstärker 204 geliefert, der in einem ungesättigten Zustand arbeitet, um den Injektionslaser-Ausgangsimpuls 210 zu verstärken und einen Ausgangsimpuls 212 zu liefern, ohne eine signifikante Verzerrung des zugeschnittenen Laserimpuls-Leistungsprofils einzuführen, wie in 6D gezeigt. Der Ausgangsimpuls 212 ist nach dem Auftreten der Leistungsspitze und vor der fallenden Flanke des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils relativ flach. Fachleute werden erkennen, dass das Profil des Ansteuerstromimpulses 206 gemäß dieser Erfindung leicht mit einem beliebigen bevorzugten Profil programmiert werden kann. Fachleute werden auch erkennen, dass die Verstärkungsanforderung des Verstärkers 204 von der Laserimpulsleistung, die vom Injektionslaser 202 verfügbar ist, und von der Leistung des Laserausgangsimpulses 212, der für diese Erfindung erforderlich ist, abhängt.
6E und 6F zeigen ein Ansteuerstromprofil 214 bzw. sein kopiertes Laserimpuls-Leistungsprofil 216, das gemäß einer anderen Implementierung des dritten Ausführungsbeispiels von 6A erzeugt wird. Das Ansteuerstromprofil 214 besteht aus einem Impuls mit drei zeitlich verschobenen Stromspitzen 218, 220 bzw. 222 mit abnehmenden Werten über die Zeit bei t₁, t₂, t₃. Die Stromspitzen 218, 220 und 222 erzeugen für das Laserimpuls-Leistungsprofil 216 entsprechende Leistungsspitzen 224, 226 und 228. Die Leistungsspitze 224 stellt eine Überschwingung dar, die an der steigenden Flanke des Laserimpuls-Leistungsprofils 216 auftritt, und die Leistungsspitzen 226 und 228 stellen anschließende Leistungsspitzen dar, die während des Impulses, jedoch bevor das Zielverbindungsmaterial vollständig entfernt ist, auftreten. Die Leistungsspitzen 224, 226 und 228 bilden zusammen eine zusammengesetzte Leistungsspitze in Form einer Schwingungswelle mit einer Leistungsvariation von über etwa 10 der mittleren Leistung des Laserausgangsimpulses. Die Schwingungswelle kann etwa einen halben Zyklus bis drei Zyklen der Dauer innerhalb der Dauer des Laserimpuls-Leistungsprofils dauern. Die Periode des Schwingungszyklus liegt vorzugsweise zwischen etwa 1 ns und etwa 15 ns.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verstärkers 204 ist ein faseroptischer Laserverstärker. Die Länge der Faser, die Art des Laserdotierungsmaterials, das Dotierungsniveau und das Pumpniveau können zugeschnitten werden, um die erforderliche Verstärkung zu verwirklichen. Ein beispielhafter Laser 200 kann eine Modifikation eines Faserlasers sein, der von IMRA, America, Inc., Fremont, CA, und von IPG Photonics Corp. Oxford, MA, hergestellt wird. Sowohl IMRA als auch IPG stellen Laservorrichtungen her, die eine schnelle Laserdiode umfassen, die als Injektionslaser arbeitet, gefolgt von einem Faserleistungsverstärker. Die Laserwellenlänge ist im Bereich von 1,06 μm bis 1,1 μm abstimmbar. Die Laserimpulsform ist im Wesentlichen quadratisch geformt mit einer Impulsbreite, die von 5 ns bis 20 ns programmierbar ist, einer Laserenergie von 0,1 μJ bis 10 μJ und einer Laserimpuls-Wiederholungsrate von etwa 20 kHz. Mit dem Zuschneiden der Ansteuerstromversorgung für den schnellen Diodenlaser kann das Laserimpuls-Leistungsprofil zugeschnitten werden, wie für die vorliegende Erfindung beschrieben. Ein weiterer beispielhafter Faserlaser, der von INO, Quebec, Kanada, hergestellt wird, implementiert ein spezielles Verfahren, um den Injektionslaserimpuls von der Faser selbst zu erhalten und dann die Faser zu verwenden, um den Injektionsimpuls zu verstärken. Seine derzeit erhältliche Version arbeitet mit einer Laserwellenlänge von 1,57 μm und sein Impulsprofil ist zu dem in 6F gezeigten sehr ähnlich. Gemäß INO ist es nicht schwierig, einen ähnlichen Laser herzustellen, der bei einer Wellenlänge von 1,06 μm bis 1,1 μm mit einem anderen zugeschnittenen Laserimpulsprofil arbeitet.
Mit Bezug auf 4, 5 und 6 liegen die bevorzugten Laserwellenlängen im Spektralbereich von etwa 150 nm bis etwa 2000 nm und umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf 1,54, 1,3, 1,1–1,06, 1,05, 1,047, 1,03–0,75 μm oder ihre zweiten, dritten, vierten oder fünften Oberwellen von Nd:YAG-, Nd:YLF-, Nd:YVO₄-, Yb:YAG-, Ti:Saphir- und Faserlasern mit verschiedenen Basismaterialien und verschiedener Dotierung. Fachleute werden erkennen, dass Laser, die Ausgangsimpulse mit anderen geeigneten Wellenlängen emittieren, kommerziell erhältlich sind und verwendet werden könnten. Fachleute werden auch erkennen, dass beliebige der zweiten, dritten oder vierten Oberwellen von Nd:YAG (532 nm, 355 nm, 266 nm); Nd:YLF (524 nm, 349 nm, 262 nm); oder die zweite Oberwelle von Ti:Saphir (375 nm–425 nm) verwendet werden können, um vorzugsweise bestimmte Arten von Verbindungen 22 und/oder Passivierungsschichten 44 unter Verwendung von geeigneten gut bekannten Oberwellenumwandlungsverfahren zu bearbeiten. Oberwellenumwandlungsprozesse sind in V.G. Dmitriev, et al., Handbook of Nonlinear Optical Crystals, 138–141, Springer-Verlag, New York, 1991 ISBN 3-540-53547-0 beschrieben.
Mit Bezug auf 7 wird das Lasersystem 300 hierin nur beispielhaft auf einen 1,064 μm Nd:YAG-Laser 302 modelliert. Der Nd:YAG- oder ein anderer Festkörperlaser 302 wird vorzugsweise durch eine Laserdiode 304 gepumpt, deren Emission 306 durch Linsenkomponenten 308 in einen Laserresonator 310 fokussiert wird. Der Laserresonator 310 umfasst vorzugsweise ein laseraktives Material 312, einen Güteschalter 314 und einen wahlweisen Polarisator 315, der zwischen Resonatorspiegeln 316 und 318 entlang einer optischen Achse 320 angeordnet ist. Eine Blende 330 kann auch zwischen dem laseraktiven Material 312 und dem Spiegel 318 angeordnet sein. Ein Laserausgangsimpuls 334 breitet sich entlang der optischen Achse 320 durch den Spiegel 318 aus, welcher als teilweise reflektierender Ausgangskoppler wirkt. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung fällt der Laserimpuls 334, der sich vom Laser 302 ausbreitet, auf eine wahlweise optische Komponente oder Vorrichtung 336 wie z.B. eine Wellenplatte, einen Polarisator oder einen Isolator ein und wird dann dem speziellen Intensitätsprofilzuschneiden mit einer E-O-Torsteuervorrichtung 340 unterzogen, die durch eine Untersteuereinheit 342 gesteuert wird.
Ungeachtet der Wellenlänge oder der Laserart kann der Laserausgang 350 der Torsteuervorrichtung 340 durch eine Vielzahl von herkömmlichen optischen Komponenten 352 und 354 manipuliert werden, die entlang eines Strahlweges 356 angeordnet sind. Die Komponenten 352 und 354 können eine Strahlaufweitungsvorrichtung oder andere laseroptische Komponenten umfassen, um den Laserausgang 350 zu kollimieren, um einen Strahl mit nützlichen Ausbreitungseigenschaften zu erzeugen. Ein oder mehrere Strahlreflexionsspiegel 358, 360, 362 und 364, die bei der gewünschten Laserwellenlänge stark reflektieren, aber bei den ungenutzten Wellenlängen sehr durchlässig sind, werden wahlweise verwendet, so dass nur die gewünschte Laserwellenlänge die Verbindungsstruktur 36 erreicht. Eine Fokussierlinse 366 verwendet vorzugsweise ein Ein-Komponenten- oder Mehr-Komponenten-Linsensystem, das eine kollimierte gepulste Lasersystemausgabe 368 fokussiert, um eine fokussierte Punktgröße 40 zu erzeugen, die größer ist als und dadurch die Verbindungsbreite umschließt und vorzugsweise in Abhängigkeit von der Verbindungsbreite 28 und der Laserwellenlänge geringer als 2 μm im Durchmesser oder kleiner ist.
Ein bevorzugtes Strahlpositionierungssystem 380, das aus optischen Komponenten 358, 360, 362 und 364 besteht, ist im einzelnen im US-Patent Nr. 4 532 402 von Overbeck über Method and Apparatus for Positioning a Focused Beam on an Integrated Circuit, beschrieben. Das Strahlpositionierungssystem 380 verwendet vorzugsweise eine Lasersteuereinheit 382, die mindestens zwei Plattformen oder Tische steuert (gestapelt oder geteilte Achsen) und mit den Strahlreflexionsspiegeln 358, 360, 362 und 364 koordiniert, um die Lasersystemausgabe 368 auf eine ausgewählte leitende Verbindung 22 auf einem IC-Bauelement oder Werkstück 12 zu zielen und zu fokussieren. Das Strahlpositionierungssystem 380 ermöglicht eine schnelle Bewegung zwischen Verbindungen 22 auf dem Werkstück 12, um einzigartige Verbindungstrennvorgänge im Fluge auf der Basis von gelieferten Test- oder Entwurfsdaten zu bewirken.
Die Positionsdaten richten vorzugsweise den fokussierten Laserpunkt 38 über dem Werkstück 12 auf die Zielverbindungsstruktur 36 mit einem Laserimpuls der Lasersystemausgabe 368, um die Verbindung 22 zu entfernen. Das Lasersystem 300 durchtrennt vorzugsweise mit einem einzelnen Laserimpuls 37 im Fluge jede der zu durchtrennenden Verbindungen 22. Das Lasersystem 300 führt diesen Prozess durch, ohne das Strahlpositionierungssystem 380 über irgendeiner Verbindung 22 zu stoppen, so dass ein hoher Durchsatz realisiert wird. Fachleute werden erkennen, dass solche Lasersysteme 300, die mit herkömmlichen diodengepumpten, gütegeschalteten Festkörperlasern ausgestattet sind, kommerziell erhältlich und Fachleuten gut bekannt sind.
Die Lasersteuereinheit 382 wird mit Befehlen hinsichtlich des zweckmäßigen Prozesses der ausgewählten Verbindungen versehen. Die Lasersteuereinheit 382 kann durch Zeitsteuerdaten beeinflusst werden, die das Zünden des Lasersystems 300 mit der Bewegung der Plattformen synchronisieren, wie z.B. im US-Patent Nr. 5 453 594 von Konecny über Radiation Beam Position and Emission Coordination System, beschrieben. Alternativ werden Fachleute in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erkennen, dass die Lasersteuereinheit 382 für die Zusatzresonatormodulation der Laserenergie durch eine E-O-Vorrichtung 340 verwendet wird und Untersteuereinheiten 342 und 386, die den Güteschalter 314, die E-O-Vorrichtung 340 und die Pumpdiode 304 steuern, anweist.
Mit Bezug auf 2A–2C bietet angesichts des vorangehenden die Verbindungsbearbeitung mit einem Laserimpuls 37 mit einem speziell zugeschnittenen Leistungsprofil ein breiteres Bearbeitungsfenster und eine überlegene Qualität von durchtrennten Verbindungen als die Verbindungsbearbeitung mit einem Laserimpuls mit einem herkömmlichen Leistungsprofil. Die Überschwingung am Beginn des Laserimpulses und/oder die Spitze, die innerhalb der Dauerzeit des Laserimpulses zweckmäßig zeitgesteuert wird, stellt sicher, dass eine angemessene Menge an Laserenergie in die Verbindungsstruktur innerhalb eines zweckmäßigen Zeitraums eingekoppelt wird, bevor das ganze Verbindungsmaterial der ausgewählten Verbindung entfernt ist. Dies wird mit einer angemessenen Bearbeitungstoleranz für die unvermeidlichen Schwankungen der Verbindungsstruktur und der Laserparameter selbst bewerkstelligt. Nachdem das meiste des Verbindungsmaterials durch die Laserenergie entfernt ist, wird die Laserimpulsleistung speziell zugeschnitten, so dass sie einen viel niedrigeren Wert im Vergleich zur Spitzenleistung des Laserimpulses oder zur Leistung der Überschwingung und Spitze aufweist. Dieses speziell zugeschnittene Laserimpuls-Leistungsprofil stellt somit weniger Risiko für eine Beschädigung an den benachbarten Strukturen und am Siliziumsubstrat 42 sicher. Zusätzlich zu herkömmlichen, eine Verbindung durchschmelzenden IR-Laserwellenlängen können Laserwellenlängen, die kürzer sind als die IR-Wellenlängen, auch für den Prozess verwendet werden, mit dem zusätzlichen Vorteil einer kleineren Laserstrahlpunktgröße, selbst wenn die Absorption eines Siliziumwafers bei den kürzeren Laserwellenlängen höher ist als jene bei den herkömmlichen IR-Wellenlängen. Somit wird die Bearbeitung von schmäleren und dichteren Verbindungen erleichtert. Diese bessere Verbindungsentfernungsauflösung ermöglicht, dass Verbindungen 22 näher aneinander angeordnet werden, wodurch die Schaltungsdichte erhöht wird. Obwohl Verbindungsstrukturen 36 herkömmliche Größen aufweisen können, kann die Verbindungsbreite 28 beispielsweise geringer als oder gleich etwa 0,5 μm sein.
Ebenso bietet die Vielseitigkeit des besseren Zuschneidens des Laserimpuls-Leistungsprofils eine bessere Flexibilität dafür, verschiedenen Passivierungseigenschaften gerecht zu werden. Die Passivierungsschichten 44 über oder die Passivierungsschichten 46 unter den Verbindungen 22 können mit einem anderen Material als dem herkömmlichen Material hergestellt werden oder können modifiziert werden, falls erwünscht, so dass sie eine andere als eine typische Höhe aufweisen. Dies liegt daran, dass der Laserimpuls zugeschnitten werden kann, wodurch das Risiko einer Beschädigung an der darunterliegenden oder benachbarten Passivierungsstruktur verringert wird. Außerdem können Wellenlängen, die viel kürzer sind als etwa 1,06 μm, verwendet werden, um kritische Punktgrößendurchmesser 40 von weniger als einem Abstand 32 von Mitte zu Mitte von etwa 2 μm zwischen den Verbindungen 22 zu erzeugen. Mit Laserimpulsen von Lasern mit kürzerer Wellenlänge bearbeitete Verbindungen können daher einen wesentlich kleineren Abstand 32 von Mitte zu Mitte aufweisen als es für Verbindungen möglich ist, die durch einen herkömmlichen IR-Laserstrahl-Trennimpuls durchgebrannt werden. Die Verbindung 22 kann beispielsweise innerhalb eines Abstandes von 2,0 μm oder weniger von anderen Verbindungen 22 oder benachbarten Schaltungsstrukturen 34 liegen.
Die darüberliegende Passivierungsschicht 44 kann beliebige herkömmliche Passivierungsmaterialien wie z.B. Siliziumdioxid (SiO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄) umfassen. Die darunterliegende Passivierungsschicht 46 kann dasselbe Passivierungsmaterial wie oder andere(s) Passivierungsmaterial(ien) als die darüberliegende Passivierungsschicht 44 umfassen. Insbesondere kann die darunterliegende Passivierungsschicht 46 in den Zielstrukturen 36 zerbrechliche Materialien umfassen, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf Materialien; die aus Materialien mit niedrigem K ausgebildet sind, dielektrische Materialien mit niedrigem K, dielektrische Materialien auf Oxidbasis mit niedrigem K, Orthosilikatgläser (OSGs), Fluorsilikatgläser, Organosilikatgläser, Oxide auf der Basis von Tetraethylorthosilikat (TEOS), Methyltriethoxyorthosilikat (MTEOS), Propylenglycolmonomethyletheracetat (PGMEA), Silikatester, Wasserstoffsilsesquioxan (HSQ), Methylsilsesquioxan (MSQ), Polyarylenether, Benzocyclobuten (BCB), SiCOH oder eine von SiCOH abgeleitete Schicht (wie z.B. "Black Diamond", vertrieben von Applied Materials, Inc.), oder auf Aufschleudern basierendes dielektrisches Polymer mit niedrigem K (wie z.B. "SiLK", vertrieben von Dow Chemical Company). Die darunterliegenden Passivierungsschichten 46, die aus einigen dieser Materialien hergestellt sind, sind für einen Riss anfälliger, wenn ihre Zielverbindungen 22 durch herkömmliche Ein-Laserimpuls-Verbindungsentfernungsvorgänge durchgebrannt oder abgeschmolzen werden. Fachleute werden erkennen, dass SiO₂, SiON, Si₃N₄, Materialien mit niedrigem K, dielektrische Materialien mit niedrigem K, dielektrische Materialien auf Oxidbasis mit niedrigem K, OSGs, Fluorsilikatgläser, Organosilikatgläser, HSQ, MSO, BCB, SiLK^TM und Black Diamond^TM tatsächliche Schichtmaterialien sind und TEOS, MTEOS und Polyarylenether Halbleiterkondensat-Vorstufenmaterialien sind.
Für Fachleute wird es offensichtlich sein, dass viele Änderungen an den Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können, ohne von den zugrundeliegenden Prinzipien der Erfindung abzuweichen. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung sollte daher nur durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.
Zusammenfassung
Ein Laserimpuls mit einem speziell zugeschnittenen zeitlichen Leistungsprofil anstelle einer herkömmlichen zeitlichen Form oder einer im Wesentlichen quadratischen Form durchtrennt eine IC-Verbindung. Der speziell zugeschnittene Laserimpuls weist vorzugsweise entweder eine Überschwingung am Beginn des Laserimpulses oder eine Nadelspitze innerhalb der Dauer des Laserimpulses auf. Die Zeitsteuerung der Nadelspitze wird vorzugsweise vor dem Zeitpunkt festgelegt, zu dem die Verbindung größtenteils entfernt ist. Ein speziell zugeschnittenes Laserimpuls-Leistungsprofil ermöglicht die Verwendung eines breiteren Laserimpuls-Energiebereichs und kürzerer Laserwellenlängen wie z.B. grün und UV, um die Verbindungen ohne merkliche Beschädigung am Substrat und am Passivierungsstrukturmaterial, das sich auf beiden Seiten der Verbindungen befindet und unter diesen liegt, zu durchtrennen.

Claims

Bearbeitungsverfahren auf Laserbasis zum Entfernen von Zielmaterial von ausgewählten elektrisch leitenden Verbindungsstrukturen eines redundanten Speichers oder einer integrierten Schaltung, wobei jede ausgewählte Verbindungsstruktur eine Verbindung mit entgegengesetzten Seitenflächen und oberen und unteren Oberflächen umfasst, wobei die gegenüberliegenden Seitenflächen um einen Abstand getrennt sind, der eine Verbindungsbreite festlegt, wobei zumindest die Seiten- und die unteren Oberflächen benachbart zu einem Passivierungsstrukturmaterial in einer Schaltung angeordnet sind, die auf einem Substrat hergestellt ist, umfassend: Richten eines Laserausgangsimpulses zum Einfall auf eine ausgewählte Verbindungsstruktur, wobei der Laserausgangsimpuls durch einen Laserpunkt und ein zeitliches Laserimpuls-Leistungsprofil gekennzeichnet ist; wobei der Laserpunkt eine Punktgröße in einer Laserpunktposition auf der ausgewählten Verbindungsstruktur aufweist, wobei die Punktgröße größer ist als die Verbindungsbreite; und das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil steigende und fallende Flanken, eine mittlere Leistung und eine Impulsdauer aufweist und durch eine Leistungsspitze gekennzeichnet ist, wobei die Leistungsspitze eine Spitzendauer, die wesentlich kürzer ist als die Impulsdauer, eine Spitzenleistung, die größer ist als eine mittlere Leistung des Laserausgangsimpulses, und eine Zeit des Auftretens von der steigenden Flanke zur fallenden Flanke aufweist, und die Spitzenleistung, die Spitzendauer und die Zeit des Auftretens der Leistungsspitze zusammenwirken, um für den Laserausgangsimpuls ein speziell zugeschnittenes Laserimpuls-Leistungsprofil herzustellen, das sich auf die Durchtrennung der ausgewählten Verbindungsstruktur auswirkt, während es keine merkliche Beschädigung am Substrat oder am Passivierungsstrukturmaterial, das benachbart zu den Seiten- und unteren Oberflächen angeordnet ist, verursacht.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Impulsdauer kürzer ist als etwa 40 ns.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsspitze mit der steigenden Flanke des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils zusammenfällt und einen Spitzenleistungswert aufweist, der mehr als etwa 10% über der mittleren Leistung des Laserausgangsimpulses liegt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei die Leistungsspitze eine Anstiegszeit aufweist und wobei die Anstiegszeit kürzer ist als etwa 5 ns.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 4, wobei die Anstiegszeit kürzer ist als etwa 2 ns.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei die Spitzendauer zwischen etwa 1 ns und etwa 50% der Impulsdauer des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils liegt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil nach dem Auftreten der Leistungsspitze so zugeschnitten wird, dass es im Wesentlichen linear mit der Zeit vor der fallenden Flanke abfällt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 7, wobei der gesamte Leistungsabfall nach dem Auftreten der Leistungsspitze mehr als etwa 10 der mittleren Leistung des Laserausgangsimpulses ist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil nach dem Auftreten der Leistungsspitze vor der fallenden Flanke des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils relativ flach ist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil eine zusätzliche Leistungsspitze umfasst, wobei die zusätzliche Leistungsspitze nach der Leistungsspitze auftritt, die mit der steigenden Flanke des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils zusammenfällt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 10, wobei die zusätzliche Leistungsspitze einen Leistungswert, der mehr als 5% der mittleren Leistung ist, und eine Spitzendauer zwischen etwa 1 ns und etwa 30% der Impulsdauer des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils aufweist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsspitze in einer Form einer Schwingungswelle mit einer Leistungsvariation von über etwa 10% der mittleren Leistung des Laserausgangsimpulses vorliegt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 12, wobei die Schwingungswelle einen halben Zyklus bis drei Zyklen der Schwingung innerhalb der Impulsdauer des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils dauert und die Periode des Schwingungszyklus zwischen etwa 1 ns und etwa 15 ns liegt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Leistungsspitze zu einem Zeitpunkt innerhalb eines Intervalls, gemessen von der steigenden Flanke bis 70% der Impulsdauer des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils, auftritt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 14, wobei das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil vor und nach der Leistungsspitze relativ flach ist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 14, wobei das zeitliche Laserimpuls-Leistungsprofil vor und nach der Leistungsspitze nicht flach ist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 14, wobei die Leistungsspitze einen Spitzenleistungswert aufweist, der über 10% der mittleren Leistung des Laserausgangsimpulses liegt, und eine Spitzendauer aufweist, die zwischen 1 ns und 50% des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils liegt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das benachbarte Passivierungsstrukturmaterial über den elektrisch leitenden Verbindungen liegt, um eine darüberliegende Passivierungsschicht zu bilden.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das benachbarte Passivierungsstrukturmaterial so angeordnet ist, dass es nicht über den elektrisch leitenden Verbindungen liegt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die fallende Flanke des zeitlichen Laserimpuls-Leistungsprofils so zugeschnitten wird, dass sie eine Dauer aufweist, die kürzer ist als etwa 10 ns.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgewählte elektrisch leitende Verbindungsstruktur Aluminium, Chromid, Kupfer, Polysilizium, Disilizid, Gold, Nickel, Nickelchromid, Platin, Polyzid, Tantalnitrid, Titan, Titannitrid, Wolfram oder Wolframsilizid umfasst.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei jeder Laserausgangsimpuls eine Laserenergie zwischen etwa 0,001 Mikrojoule und etwa 10 Mikrojoule aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das benachbarte Passivierungsstrukturmaterial, die darunterliegende Passivierungsschicht oder beide von ihnen eines oder mehrere von SiO₂, Si₃N₄, SiON, einem Material mit niedrigem K, einem dielektrischen Material mit niedrigem K, einem dielektrischen Material auf Oxidbasis mit niedrigem K, einem Orthosilikatglas, einem Fluorsilikatglas, einem Organosilikatglas, einem Oxid auf der Basis von Tetraethylorthosilikat, einem Methyltriethoxyorthosilikat, einem Propylenglycolmonomethyletheracetat, einem Silikatester, einem Wasserstoffsilsesquioxan, einem Methylsilsesquioxan, einem Polyarylenether, einem Benzocyclobuten, einem SiCOH oder einer von SiCOH abgeleiteten Schicht oder einem auf Aufschleudern basierenden dielektrischen Polymer mit niedrigem K umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei Laserausgangsimpulse zum Entfernen von Zielmaterial, die auf Stellen von jeweiligen ausgewählten elektrisch leitenden Verbindungsstrukturen ausgerichtet werden, mit einer Wiederholungsrate von mehr als etwa 10 kHz erzeugt werden.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgangsimpuls eine Wellenlänge in einem Spektralbereich von etwa 150 nm bis etwa 2000 nm aufweist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 25, wobei die Wellenlänge des Laserausgangsimpulses eine von einer Grund-, zweiten Oberwellen- oder dritten Oberwellenlänge ist, die von einem YAG-, YLF-, YVO₄-, Saphir- oder Faserlaser emittiert wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 25, wobei der Laserausgangsimpuls durch einen Faserlaser mit einer Wellenlänge von etwa 1,06 μm oder ihrer zweiten oder dritten Oberwellenlänge, 1,3 μm oder ihrer zweiten oder dritten Oberwellenlänge oder 1,5 μm oder ihrer zweiten oder dritten Oberwellenlänge emittiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wellenlänge des Laserausgangsimpulses etwa eine der folgenden Wellenlängen ist oder innerhalb eines der folgenden Wellenlängenbereiche liegt: 1,54 μm 1,3 μm, 1,1–1,06 μm, 1,05 μm, 1,047 μm, 1,03–0,75 μm, 0,65 μm, 0,53 μm, 0,5 μm, 0,43 μm, 0,35 μm oder 0,27 μm.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die Verbindung eine Dicke von mehr als 1 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindung eine Dicke von mehr als 1 μm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laserausgangsimpuls durch eine Wellenlänge gekennzeichnet ist und wobei das benachbarte Passivierungsstrukturmaterial, das Substrat oder beide von ihnen die Wellenlänge signifikant absorbieren.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Wellenlänge eine UV-Wellenlänge umfasst.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Verbindung eine Dicke von mehr als 1 μm aufweist.